一种低增益雪崩探测器及其制作方法

本发明涉及探测器领域，特别涉及一种低增益雪崩探测器及其制作方法。

背景技术：

1、随着高能粒子探测技术的不断发展，为了实现高亮度大型强子对撞机(hl-lhc)的顺利升级，低增益雪崩探测器(low-gain avalanche detector，简称lgad)被提出，由于其具有适度增益、优越的时间分辨率并且易于集成，近年来在半导体探测器的研究中受到广泛关注，因此其作用机制与制造工艺值得继续深入研究。由于电子发生倍增所需的场强比空穴倍增所需的场强低，以电子倍增为主的方式来调整增益是最可行的，也可以避免在更高的电场下产生雪崩。lgad通常采用n-in-p的结构，更好地对倍增过程进行控制，且增益对工作电压的抖动敏感度较低，可以非常稳定地工作。因此，要满足高能物理实验对高能粒子探测所需要的大规模探测器需求，需要优化器件制作工艺或结构，以保证器件的良率。

2、为此，提出本发明。

技术实现思路

1、本发明的主要目的在于提供一种低增益雪崩探测器及其制作方法，提升了lgad探测器的良率，保证探测器拥有较好的击穿电压均一性。

2、为了实现以上目的，本发明提供了以下技术方案。

3、本发明的第一方面提供了一种低增益雪崩探测器的制作方法，在预制的半导体结构中形成p+增益层；所述预制的半导体结构包括衬底，以及在所述衬底上表面依次垂直堆叠的p型掺杂层、氧化层和光刻胶，以及至少一个凹槽；所述凹槽贯穿所述光刻胶但不贯穿所述氧化层，使所述氧化层包括形成所述凹槽侧壁的场氧层和形成所述凹槽底壁的阱氧层；所述凹槽具有倾斜的侧壁，使凹槽呈开口大底部小的形状；

4、所述形成p+增益层的方法包括：

5、在所述凹槽处向所述p型掺杂层注入p型离子，并且注入方向与所述凹槽的侧壁的夹角≤10°。

6、由此，本发明在离子注入区域的边缘处设计了倾斜侧壁(即凹槽的侧壁)，这样在离子注入形成p+增益层时，既可以进行倾斜方向的注入，以避免器件的短沟道效应，又可以因倾斜侧壁的补偿效应而避免产生离子注入的阴影，进而避免由阴影导致的电压不稳定性。总之，本发明通过“边缘修正”的离子注入方式大大改善了lgad探测器击穿电压的均匀性，提高了产品的合格率。

7、进一步地，所述注入方向与所述凹槽的侧壁的夹角≤2°。

8、进一步地，所述注入方向与所述凹槽的侧壁平行。

9、理论上，离子注入方向与凹槽的侧壁平行时击穿电压的均匀性更好，但实际工艺中可能无法实现理想状态下的平行，可以适当控制设备式二者尽可能平行。

10、进一步地，所述凹槽的侧壁由多个平面拼接而成，在所述注入p型离子的过程中，依次平行于每个所述平面的方向进行多次离子注入。

11、以上过程可以通过旋转离子注入设备或者旋转晶圆托盘(承载预制的半导体结构)实现。通过依次平行于每个所述平面进行多次离子注入，可以使器件各个区域都不形成阴影区域，或者形成的阴影区域更小。

12、进一步地，在所述注入p型离子的过程中，旋转所述预制的半导体结构，从而使注入方向依次平行于每个平面。

13、进一步地，所述凹槽的底面呈四方形，其侧壁由四个平面组成。该方案中凹槽呈方斗状。

14、进一步地，所述预制的半导体结构还包括：

15、所述p型掺杂层的浅表层嵌有多个结终端扩展，所述凹槽位于两个相邻的所述结终端扩展之间。

16、进一步地，所述预制的半导体结构还包括：所述p型掺杂层的浅表层嵌有p型阻挡区，所述p型阻挡区位于所述结终端扩展远离所述凹槽的一侧。

17、进一步地，在形成p+增益层之后还包括：

18、形成n型掺杂层；

19、去除所述阱氧层和所述光刻胶；

20、引出电极。

21、本发明的第二方面提供了一种低增益雪崩探测器，其采用第一方面提供的制作方法制得。

22、综上，与现有技术相比，本发明达到了以下技术效果：改变离子注入时的角度和边缘修正工艺，可以明显提升芯片击穿电压的均一性，从而提升良率。

技术特征：

1.一种低增益雪崩探测器的制作方法，其特征在于，在预制的半导体结构中形成p+增益层；所述预制的半导体结构包括衬底，以及在所述衬底上表面依次垂直堆叠的p型掺杂层、氧化层和光刻胶，以及至少一个凹槽；所述凹槽贯穿所述光刻胶但不贯穿所述氧化层，使所述氧化层包括形成所述凹槽侧壁的场氧层和形成所述凹槽底壁的阱氧层；所述凹槽具有倾斜的侧壁，使凹槽呈开口大底部小的形状；

2.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述注入方向与所述凹槽的侧壁的夹角≤2°。

3.根据权利要求2所述的制作方法，其特征在于，所述注入方向与所述凹槽的侧壁平行。

4.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述凹槽的侧壁由多个平面拼接而成，在所述注入p型离子的过程中，依次平行于每个所述平面的方向进行多次离子注入。

5.根据权利要求4所述的制作方法，其特征在于，在所述注入p型离子的过程中，旋转所述预制的半导体结构，从而使注入方向依次平行于每个平面。

6.根据权利要求1-5任一项所述的制作方法，其特征在于，所述凹槽的底面呈四方形，其侧壁由四个平面组成。

7.根据权利要求1-5任一项所述的制作方法，其特征在于，所述预制的半导体结构还包括：

8.根据权利要求7所述的制作方法，其特征在于，所述预制的半导体结构还包括：所述p型掺杂层的浅表层嵌有p型阻挡区，所述p型阻挡区位于所述结终端扩展远离所述凹槽的一侧。

9.根据权利要求1-5任一项所述的制作方法，其特征在于，在形成p+增益层之后还包括：

10.一种低增益雪崩探测器，其特征在于，其采用权利要求1-9任一项所述的制作方法制得。

技术总结
本发明涉及一种低增益雪崩探测器及其制作方法。方法包括：在预制的半导体结构中形成P+增益层；所述预制的半导体结构包括衬底，以及在所述衬底上表面依次垂直堆叠的P型掺杂层、氧化层和光刻胶，以及至少一个凹槽；所述凹槽贯穿所述光刻胶但不贯穿所述氧化层，使所述氧化层包括形成所述凹槽侧壁的场氧层和形成所述凹槽底壁的阱氧层；所述凹槽具有倾斜的侧壁，使凹槽呈开口大底部小的形状；所述形成P+增益层的方法包括：在所述凹槽处向所述P型掺杂层注入P型离子，并且注入方向与所述凹槽的侧壁的夹角≤10°。本发明提升了LGAD探测器的良率，保证探测器拥有较好的击穿电压均一性。

技术研发人员：许高博,卢宇鹏,殷华湘,孙朋,丁明正
受保护的技术使用者：中国科学院微电子研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/3/27